авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог

-- [ Страница 2 ] --

Получена зависимость, которая представляет собой уравнение фильтрации воды в верхней части рабочего слоя на границе с дренирующим слоем дорожной одежды под воздействием нагрузки от лесовозных автопоездов с учетом сжимаемости газосодержащей поровой жидкости

, (1)

где еср – среднее значение начального коэффициента пористости на всю зону сжатия; – коэффициент сжимаемости грунта, см2/кгс; – коэффициент сжимаемости поровой жидкости; Kф – коэффициент фильтрации грунта, см/сут; w – объемный вес воды, кгс/см3; – скорость изменения внешнего давления, передаваемого на основание, (кгс/см2)/с; Сv – коэффициент консолидации, см2/с; – коэффициент порового давления.

Направление движения воды в грунте во многом определяется конструктивными особенностями покрытия. Если покрытие является водонепроницаемым, то при оттаивании грунта весной переувлажненный рабочий слой земляного полотна будет заключен между двумя водонепроницаемыми слоями: с одной стороны покрытие, с другой – мерзлая подошва. Очевидно, что в данном случае вертикальная составляющая фильтрации будет отсутствовать, движение воды в оттаявшем слое будет происходить только в горизонтальной плоскости.

Внешняя нагрузка при проходе лесовозных автопоездов по покрытию прикладывается не по всей поверхности проезжей части, а лишь по некоторой ее части, определяемой размерами чаши прогиба покрытия (рисунок 2). При этом закономерность перераспределения внешнего давления между давлением в скелете грунта и поровой воде описывается уравнением

(2)

Когда нагрузка на переувлажненный рабочий слой передается через вышележащий дренирующий слой (рисунок 3), по которому вода, поступающая из рабочего слоя, отводится за пределы покрытия, движение воды происходит только вверх, так как в пределах зоны действия нагрузки горизонтальной фильтрацией можно пренебречь

. (3)

В результате воздействия динамической нагрузки на покрытие в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды. На условия движения воды в первую очередь оказывает влияние водопроницаемость грунта, его деформируемость под нагрузкой и скорость приложения нагрузки па покрытие. В зависимости от конструкции дорожной одежды фильтрация воды происходит по двум принципиально разным схемам: горизонтальной и вертикальной.

Интенсивность поступления воды в дренирующий слой в основном обусловливается характером деформирования рабочего слоя земляного полотна при проходе подвижной нагрузки по покрытию. Величина остаточных деформаций может увеличиваться в результате процессов промерзания и оттаивания грунтов при избыточном увлажнении. Кроме того, за счет зимнего влагонакопления и льдообразования происходит также и разуплотнение грунтов земляного полотна. Поэтому такие грунты имеют деформации в 6…10 раз больше по сравнению с незамерзшими.

Для описания процесса поступления воды в дренирующий слой для элементарного столба грунта можно заменить подвижную нагрузку, действующую на грунтовый массив, неподвижной, но изменяющейся во времени по кусочно-линейному закону с постоянной интенсивностью на стадии нагрузки и разгрузки (рисунок 4).

Изменение напряженно-деформированного состояния грунта рабочего слоя при действии нагрузки характеризуется следующими уравнениями:

  1. При возрастании нагрузки в период

при . (4)

2.Снижение нагрузки в период

при . (5)

3. При возрастании нагрузки в период решение (4) по глубине будет

. (6)

Наличие остаточных деформаций и сохранение остаточного порового давления в воде, заполняющей поры грунта, создает условия для поступления воды в дренирующий слой по мере спада давления, и после прекращения воздействия внешней нагрузки. При многократном приложении нагрузки, в соответствии с принятой расчетной моделью, в грунте происходят только пластические деформации. Если в момент времени происходит воздействие нагрузки со скоростью , то возрастание порового давления в грунте определяется выражением

(7)

В момент времени после прекращения действия нагрузки в грунте проявляются упругие деформации. Величина изменения порового давления определяется зависимостью

(8)

Если в период времени происходит новое воздействие нагрузки со скоростью >, то вновь происходит возрастание порового давления

(9)

При прекращении в момент времени воздействия нагрузки, изменение порового давления грунта происходит по закону

(10)

Предложенная модель движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог под воздействием внешней нагрузки учитывает основные параметры грунтовой среды (напряженное состояние, объем, физические свойства), описывающие поведение грунта, а также позволяет определить и провести анализ их изменения в процессе воздействия циклической нагрузки от лесовозных автопоездов.

Основные положения предложенной динамической модели базируются на том, что весь интервал фильтрационной консолидации разбивается на N интервалов, каждый из которых соответствует одному циклу «нагружения – разгрузки». В пределах одного интервала значения деформативных параметров считаются постоянными. Предложенная модель универсальна и описывает в одномерной постановке любые циклические воздействия на рабочий слой земляного полотна.

3 Исследование закономерностей движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при многократном нагружении. Фильтрационные характеристики водонасыщенных глинистых грунтов определяются испытанием грунтов в компрессионных приборах и их различных модернизациях (компрессионно-фильтрационные и др.). Преимуществом компрессионных испытаний являются: возможность создания различных граничных условий загружения образцов грунта, уменьшения погрешностей при отборе образцов грунта текучей и текуче-пластичной консистенции из монолита или зарядного прибора, относительная простота конструкции и широкая распространенность компрессионных исследований глинистых грунтов.

В программу исследований входило решение следующих задач: проведение компрессионных испытаний с вертикальной фильтрацией воды в условиях статического, кратковременного многократного (циклического) нагружения заданной частоты, при сохранении заданного номинального давления; установление характера изменения порового давления по глубине образца переувлажненного грунта и во времени в условиях переменного воздействия нагрузки; выявление характера изменения осадки водонасыщенного грунта; прогнозирование количества отжимаемой воды из переувлажненного грунта под действием циклической нагрузки; определение влияния сжимаемости защемленного и растворенного газа на процесс консолидации переувлажненного грунта (путем испытания образцов с различным коэффициентом водонасыщения); определение проницаемости переувлажненных грунтов при различных ступенях нагружения. Закономерности поведения переувлажненного в результате оттаивания грунта определяются сложным комплексом факторов, главными из которых являются: текстура, структура, влажность, путь нагружения и величина нагрузки. Для выявления устойчивых закономерностей поведения грунта, точного и качественного измерения напряжения и деформации необходимо проведение исследований на малых образцах, обоснованных с позиции теории подобия.

Основной целью экспериментальных исследований являлась проверка адекватности полученной математической модели, то есть установление сходимости теоретических кривых изменения во времени избыточного порового давления и количества отжимаемой воды с данными лабораторных испытаний. Теоретические значения количества отжавшейся воды, определенные при реализации разработанной математической модели, несколько превышают их экспериментальные значения: для влажности разница составляет 14,1 %, а для влажности – 8,7 %. Однако, по отношению к притокам, полученным при переходе к натурной модели разница минимальная, так как расчетные значения практически описывают экспериментальные. Произведенный анализ показывает, что наибольшее расхождение значений расчетных и экспериментальных притоков наблюдается при относительной влажности менее 0,7. На наш взгляд, это расхождение объясняется использованием упруго-пластической идеальной модели грунта при математическом описании процесса движения воды в рабочем слое земляного полотна. В действительности с уменьшением влажности и пористости грунтового образца наиболее интенсивно проявляются вязкие деформации и реологические свойства грунта, которые ведут к уменьшению величины притока. Отсюда можно сделать вывод о хорошей сходимости теоретических и экспериментальных данных в интервале влажности грунта =(0,7…1). Наиболее важным является тот факт, что характер развития и время сохранения остаточного порового давления в эксперименте хорошо соотносится с теоретической кривой.

4 Обоснование требований к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог. Назначение толщины дренирующего слоя, его уклонов и материала без расчетов часто приводит к тому, что в процессе эксплуатации лесовозных дорог дренирующий слой не успевает отводить поступающую воду и не обеспечивает осушение рабочего слоя, снижая тем самым его несущую способность. Чтобы устранить данные отрицательные явления, необходимо толщину конструкции дренирующего слоя при проектировании определять расчетом исходя из его пропускной способности, а материал дренирующего слоя назначать исходя из его гранулометрического состава в зависимости от состава грунта рабочего слоя.

Расчет пропускной способности дренирующего слоя в конечном итоге заключается в определении максимальной глубины потока фильтрующейся в нем воды, которая зависит от величины притока в корыто, длины пути фильтрации (ширины ската покрытия), поперечного уклона дна корыта, коэффициента фильтрации материала слоя, а также от длительности расчетного периода.

Количество крупных и средних песков неизменно сокращается и растет их стоимость. Применение более крупнопористых материалов: щебня, гравия, нецелесообразно в виду их высокой стоимости и интенсивного заиливания. Данное обстоятельство требует расширения возможностей использования в качестве фильтрующего материала более дешевых местных мелких песков.

Экспериментальные исследования показали, что расход воды в капиллярной зоне дренирующего слоя, устроенного из мелких песков, практически такой же, как и в случае применения крупных песков. В связи, с этим можно ожидать, что при создании непосредственно на дорогах вакуум-напора равного толщине слоя песка все количество воды, поступающее в дренирующий слой, должно фильтроваться в капиллярном виде. Осушение дренирующих слоев наиболее оправдано при вакуум-напоре =0,6…0,7, когда даже мелкие пески характеризуются высокой прочностью вследствие относительной их влажности <0,75. Этот эффект достигается при устройстве закромочной дрены. Свободная вода поступает в дренирующий слой под действием отрицательного гидростатического давления – вакуум-напора , переходит в капиллярную и в таком виде фильтруется к продольному ровику, глубина которого составляет 0,6…0,7, где переходит в свободную и по трубам сбрасывается в водоприемник. Это позволяет повысить пропускную способность дренирующего слоя и, как следствие, создает предпосылки для применения местных мелких песков с 2 м/сут, < 0,45…0,5 м и снижения толщины дренирующего слоя.

На основе проведенных исследований можно сформировать следующие основные принципы проектирования дренирующего слоя: критерием применения дренирующих слоев должно стать значение критической влажности грунта рабочего слоя земляного полотна, при котором для данного типа грунта и величины нагрузки не происходит отжатие свободной воды в расчетный период; толщина дренирующего слоя должна быть больше суммы высоты потока фильтрующегося в дренирующем слое в свободном состоянии и высоты капиллярного поднятия вод; суммарную глубину фильтрационного потока в дренирующем слое рассчитывают из условия требуемого модуля упругости с учетом максимально возможной пропускной способности; глубина потока фильтрующейся воды должна определяться на основе рассмотрения модели фильтрации при неустановившемся режиме с учетом условия движения воды в рабочем слое; поступление воды в дренирующий слой происходит из рабочего слоя (пучинное питание) и в результате просачивания атмосферных осадков (атмосферное питание); приток воды из рабочего слоя земляного полотна необходимо определять с учетом времени и интенсивности воздействия колесных нагрузок в наиболее неблагоприятные периоды года, когда грунт имеет низкие деформативные характеристики; коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя должен обеспечивать своевременный отвод воды из дренирующего слоя за пределы покрытия; для улучшения пропускной способности дренирующего слоя необходимо устройство в кромке покрытия дренажа мелкого заложения; гранулометрический состав материала дренирующего слоя подбирается из условия предотвращения фильтрационного разрушения рабочего слоя на границе с дренирующим слоем.

Дренажная конструкция (дренирующий слой и водоотводящие устройства) необходима в традиционных конструкциях дорожных одежд со слоями из зернистых материалов на земляном полотне из слабо фильтрующих грунтов (пылеватых песков, непылеватых песков с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут, глины). Во II и III ДКЗ для всех схем увлажнения рабочего слоя, в IV и V ДКЗ – для 3-й схемы, а также, если в основании проезжей части, возможно, скопление воды, проникающей с поверхности (затяжные продольные уклоны, водопроницаемое покрытие, наличие сравнительно легко водопроницаемых грунтов на обочинах, вогнутые переломы продольного профиля, прилегающие к проезжей части лесные насаждения).

Основные выводы и рекомендации

1. Фильтрация воды в основаниях дорожных одежд происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки, что описывается полученным в диссертационной работе уравнением неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта.

2. При воздействии динамической нагрузки на дорожную конструкцию в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды, на режимы которого оказывает влияние водопроницаемость грунта, его деформируемость под нагрузкой и интенсивность приложения нагрузки. Интенсивность поступления воды в дренирующий слой обусловливается характером деформирования рабочего слоя земляного полотна при проходе лесовозных автопоездов по дороге.

3. Предложенная модель движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог учитывает основные параметры грунтовой среды (напряженное состояние, объем, физические свойства), описывающие поведение грунта и позволяет провести анализ их изменения в процессе воздействия циклической нагрузки от лесовозных автопоездов.

4. Деформирование земляного полотна при действии колесных нагрузок от лесовозных автопоездов сопровождается оттоком воды из активной зоны и фильтрационной консолидацией, характеризующейся увеличением плотности грунта и уменьшением параметров фильтрации, что учтено в разработанной динамической модели рабочего слоя земляного полотна.

5. Полученная теоретическая зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, удовлетворительно соответствует реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое (среднее относительное отклонение расчетных значений от полученных экспериментально составляет 8,2 %).

6. Для устранения явлений застоя воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна необходимо толщину конструкции дренирующего слоя определять расчетом исходя из его пропускной способности, а материал дренирующего слоя назначать исходя из его гранулометрического состава в зависимости от состава грунта рабочего слоя.

7. Применение дешевых местных мелких песков с 2 м/сут для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог наиболее эффективно при вакуум-напоре составляющем 60…70 % от толщины слоя песка и устройстве закромочной дрены, что также обеспечивает снижение толщины дренирующего слоя.

8. Сформулированы требования к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог и положения расчета его толщины, обеспечивающие соответствие проектных решений условиям эксплуатации. Реализация положений разработанного метода в условиях Калужской (II2 ДКЗ) и Воронежской (III1, IV ДКЗ) областей обеспечила экономический эффект более 100 тыс. руб на 1 км в текущем уровне цен.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

1. Кириллов, Ф.А. Повышение надежности дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог [Текст] / Ф.А. Кириллов // Вестник МГУЛа «Лесной вестник». – 2009.– № 2 – С. 109–113.

2. Курьянов, В.К. Математическая модель потока воды в дренирующем слое дорожной одежды с учетом фильтрации в капиллярной зоне [Текст] / В.К. Курьянов, А.В. Скрыпников, Ф.А. Кириллов // Изв. ВУЗов «Северокавказский регион. Технические науки». – 2005. – № 5. – С. 136–140 (личный вклад – 30 %).

Статьи и материалы конференций

3. Афоничев, Д.Н. Распределение грузонапряженности по ширине проезжей части автомобильной дороги [Текст] / Д.Н. Афоничев, Ф.А. Кириллов; ВГЛТА. – Воронеж, 2000. – 26 с. – Деп. в ВИНИТИ 15.06.2000, № 1689–В2000 (личный вклад – 40 %).



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.